Descubren el mecanismo detrás de la pérdida de capacidad en baterías: ¿Adiós a la vida útil limitada?

Un equipo internacional de científicos ha dado un paso decisivo en la comprensión de por qué las baterías de iones de litio, ampliamente utilizadas en teléfonos móviles y vehículos eléctricos, pierden capacidad con el tiempo. Este hallazgo, liderado por el ingeniero Michael Toney de la Universidad de Colorado Boulder, podría revolucionar el desarrollo de baterías más duraderas y eficientes, marcando un avance crucial para la transición hacia energías limpias.

A medida que pasa el tiempo, las baterías de dispositivos electrónicos y vehículos pierden capacidad de almacenamiento de energía, lo que provoca que necesiten recargarse con mayor frecuencia. Este problema es bien conocido, pero hasta ahora, no se entendía completamente por qué ocurría.

Michael Toney, profesor del Departamento de Ingeniería Química y Biológica de la Universidad de Colorado Boulder, y su equipo de investigadores han revelado el mecanismo detrás de esta degradación. "Estamos ayudando a mejorar las baterías de iones de litio al entender los procesos a nivel molecular que intervienen en su degradación", declaró Toney.

Problema del cobalto

Las baterías de iones de litio se han convertido en la opción preferida para dispositivos electrónicos y vehículos eléctricos debido a su alta eficiencia. Sin embargo, dependen del cobalto, un mineral costoso y problemático, cuya extracción ha generado controversia por sus implicaciones ambientales y sociales, particularmente en la República Democrática del Congo, donde la explotación minera involucra a niños.

Durante años, los científicos han trabajado en la reducción del uso de cobalto, reemplazándolo con materiales como el níquel y el magnesio. Si bien estos avances han permitido disminuir los costos y el impacto ambiental, las baterías sin cobalto presentan un mayor problema de autodescarga, lo que reduce su vida útil. Este fenómeno ocurre cuando las reacciones químicas internas degradan la capacidad de la batería con el tiempo, algo que limita la duración de las baterías de los vehículos eléctricos a entre siete y diez años antes de que sea necesario su reemplazo.

El papel del hidrógeno

El estudio reciente ha identificado que las moléculas de hidrógeno dentro del electrolito de la batería se desplazan hacia el cátodo, ocupando los lugares destinados a los iones de litio. Este proceso reduce la cantidad de iones de litio disponibles para generar la corriente eléctrica que alimenta los dispositivos, lo que resulta en una disminución de la capacidad de la batería.

Anteriormente, se pensaba que la pérdida de capacidad se debía a que no todos los iones de litio retornaban al ánodo durante la carga. Sin embargo, el equipo de Toney utilizó la avanzada tecnología de rayos X de la Fuente de Fotones Avanzada del Laboratorio Nacional Argonne para observar cómo el hidrógeno desplazaba a los iones de litio en el cátodo, revelando una nueva causa del problema.

Demanda de vehículos eléctricos

Con la creciente demanda de vehículos eléctricos como una solución para reducir estas emisiones, la eficiencia y durabilidad de las baterías se ha convertido en un desafío clave para la industria.

"Algunas de estas baterías con bajo contenido de cobalto pueden potencialmente proporcionar un mayor rango de conducción, pero también debemos asegurarnos de que no se descompongan en poco tiempo", señaló Toney. Además, reducir la dependencia del cobalto podría mitigar los problemas éticos y de derechos humanos asociados con su extracción.

Nueva generación de baterías

Con este descubrimiento, el equipo de Toney abre la puerta a nuevas soluciones para mejorar la vida útil de las baterías. Una posibilidad es recubrir el cátodo con materiales que bloqueen las moléculas de hidrógeno, o bien, desarrollar electrolitos que no permitan el desplazamiento de estas moléculas hacia el cátodo.

"Ahora que entendemos qué está causando la degradación de las baterías, podemos informar a la comunidad científica sobre qué se necesita mejorar al diseñarlas", concluyó Toney. Este avance podría acelerar el desarrollo de baterías más eficientes y duraderas, clave para el futuro de los vehículos eléctricos y el almacenamiento de energías renovables.